WO2010106131A2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von isocyanaten - Google Patents

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WO2010106131A2
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overheating
evaporation
heat exchanger
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Carsten KNÖSCHE
Bernd Rumpf
Eckhard Stroefer
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of isocyanates by reacting the corresponding amines with phosgene in the gas phase, optionally in the presence of an inert medium in which phosgene and amine are first evaporated, then further overheated to reaction temperature and the superheated phosgene and amine mixed and a reactor be fed, in which the phosgene and the amine are converted to the isocyanate.
  • the invention relates to an apparatus for producing isocyanates by reacting the corresponding amines with phosgene in the gas phase, optionally in the presence of an inert medium, comprising a reactor into which a mixing device for mixing amine and phosgene opens, and devices for evaporation and Overheating of phosgene and amine.
  • the preparation of isocyanates by phosgenation of the corresponding amines can be carried out in principle by a liquid phase or a gas phase phosgenation.
  • the gas phase phosgenation is characterized by the fact that a higher selectivity, a lesser hold-up of toxic phosgene and a reduced energy requirement are required.
  • an amine-containing starting material stream and a phosgene-containing educt stream are mixed in each case in the gaseous state.
  • the amine and the phosgene react with the release of hydrogen chloride (HCl) to form the corresponding isocyanates.
  • the amine-containing educt stream is generally in the liquid phase and must be evaporated before mixing with the phosgene-containing stream and optionally overheated.
  • the evaporation and superheating of amine and phosgene to reaction temperature can be carried out either by total evaporation of the respective required feed stream or by partial evaporation of a liquid stream with recycling of the remaining condensed fraction on the evaporator inlet.
  • the object is achieved by a process for the preparation of isocyanates by reacting the corresponding amines with phosgene in the gas phase, optionally in the presence of an inert medium in which phosgene and amine are first evaporated and then further heated to reaction temperature, the superheated phosgene and amine mixed and be fed to a reactor in which the phosgene and the amine are converted to the isocyanate.
  • the method has at least one of the following features:
  • the temperature of heat transfer surfaces in contact with phosgene is at most 20 K above the phosgene temperature to be adjusted.
  • the residence time of the phosgene in plant parts with high temperature that is a temperature of more than 300 0 C of less than 5 s, preferably less than 2.5 s, has the advantage that due to the thus realized low temperature stress, the dissociation of the phosgene in Chlorine and carbon monoxide can be reduced.
  • a residence time of the phosgene of less than 5 s, preferably less than 2.5 s at temperatures of more than 300 ° C., is achieved, for example, by a faster overheating of the phosgene.
  • a faster overheating is achieved, for example, if the evaporation and overheating of the phosgene are carried out in a common heat exchanger with a ratio of evaporator surface to volume of more than 750 l / m. The ratio of evaporator surface to volume of more than 750 1 / m, a rapid heat transfer and thus a rapid heating of the phosgene is achieved.
  • the temperature necessary for the reaction of phosgene and amine to form the isocyanate is generally in the range from 250 to 550 ° C., in particular in the range from 300 to 500 ° C.
  • the pressure at which the reaction is carried out is preferably in the range between see 0.3 to 3 bar absolute. Particularly preferred in the range of 0.8 to 3.0 bar absolute.
  • the heating to the required reaction temperature is preferably carried out before the mixture of phosgene and amine, as to avoid reaction by-products, a short residence time of the reaction mixture at the reaction temperature is desired to avoid decomposition or further reaction of the isocyanate.
  • the heating of the phosgene and the amine prior to their mixing can be done for example by an electric heating or a direct or indirect heating by combustion of a fuel or by heat exchange with a heating medium. If the heating takes place by combustion of a fuel, usually fuel gases, for example natural gas, are used. For heating with a heating medium, for example, heat transfer oils or heating steam are suitable. When using heating steam is usually a multi-stage heating, wherein heating steam can be used with different pressure and different temperatures. However, the overheating of the phosgene and the amine is then usually carried out with a heat carrier oil or for example by electrical heating or direct or indirect heating by combustion of a fuel.
  • a heat carrier oil for example by electrical heating or direct or indirect heating by combustion of a fuel.
  • the vapor pressure of the steam is, for example, in the range from 40 to 100 bar. This results in a temperature of the water vapor in the range of 250 to 311 0 C, if no superheated steam is used.
  • evaporation and superheating is particularly preferred by using a heating medium.
  • the reactor which is used for the phosgenation of the amine for the preparation of isocyanates is known to the person skilled in the art. In general, tube reactors are used as reactors. In the reactor, the amine is reacted with the phosgene to form the corresponding isocyanate and hydrogen chloride. Usually, the phosgene is in excess - A -
  • reaction gas formed in the reactor in addition to the isocyanate formed and the hydrogen chloride also contains phosgene.
  • Amines which can be used for the preparation of isocyanates are monoamines, diamines, triamines or higher-value amines. Preference is given to using monoamines or diamines. Depending on the amine used, the corresponding monoisocyanates, diisocyanates, triisocyanates or higher isocyanates result. Monoisocyanates or diisocyanates are preferably prepared by the process according to the invention.
  • Diamines and diisocyanates may be aliphatic, cycloaliphatic or aromatic.
  • Cycloaliphatic isocyanates are those which contain at least one cycloaliphatic ring system.
  • Aliphatic isocyanates are those which have exclusively isocyanate groups attached to straight or branched chains.
  • Aromatic isocyanates are those which have at least one isocyanate group bonded to at least one aromatic ring system.
  • (cyclo) aliphatic isocyanates is used below for cycloaliphatic and / or aliphatic isocyanates.
  • aromatic mono- and diisocyanates are preferably those having 6 to 20 C atoms, for example phenyl isocyanate, monomeric 2,4'- and / or 4,4'-methylene di (phenyl isocyanate) (MDI), 2,4- and / or 2,6-tolylene diisocyanate (TDI) and 1,5 or 1,8 naphthyl diisocyanate (NDI).
  • phenyl isocyanate monomeric 2,4'- and / or 4,4'-methylene di (phenyl isocyanate) (MDI), 2,4- and / or 2,6-tolylene diisocyanate (TDI) and 1,5 or 1,8 naphthyl diisocyanate (NDI).
  • MDI monomeric 2,4'- and / or 4,4'-methylene di
  • TDI 2,4- and / or 2,6-tolylene diisocyanate
  • NDI 1,5 or 1,8 naphthyl diisocyanate
  • Examples of (cyclo) aliphatic diisocyanates are aliphatic diisocyanates, such as 1,4-tetramethylene diisocyanate, 1,6-hexamethylene diisocyanate (1,6-diisocyanatohexane), 1,8-octamethylene diisocyanate, 1,10-decamethylene diisocyanate, 1,12-dodecamethylene diisocyanate, 1,14-tetradecamethylene diisocyanate, 1,5-diisocyanatopentane, neopentane diisocyanate, derivatives of lysine diisocyanate, tetramethylxylylene diisocyanate (TMXDI), trimethylhexane diisocyanate or tetramethylhexane diisocyanate, and also 3 (or 4) -8 (or 9) -bis (isocyanatomethyl) -tricyclo [5.2.1.0 26 ] decane isomeric and
  • Preferred (cyclo) aliphatic diisocyanates are 1,6-diisocyanatohexane, 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5- (isocyanatomethyl) cyclohexane and 4,4'-di (isocyanato-cyclohexyl) methane.
  • Particularly preferred are 1, 6-diisocyanatohexane, 1-isocyanato-3,3,5-trimethyl-5- (isocyanatomethyl) cyclohexane, 1, 5-diisocyanatopentane and 4,4'-di (isocyanatocyclohexyl) methane.
  • aromatic diisocyanates are 2,4-, 2,6-tolylene diisocyanate, methylene diphenyl isocyanate or isomer mixtures thereof.
  • Amines which are used in the process according to the invention for the reaction to the corresponding isocyanates are those in which the amine, the corresponding intermediates and the corresponding isocyanates are present in gaseous form under the reaction conditions chosen. Preference is given to amines which decompose under the reaction conditions to at most 2 mol%, more preferably at most 1 mol% and most preferably at most 0.5 mol% during the duration of the reaction. Particularly suitable here are amines, in particular diamines, based on aliphatic or cycloaliphatic hydrocarbons having 2 to 18 carbon atoms. Examples of these are 1, 6-diaminohexane, 1, 5-diaminopentane, 1, 3
  • IPDA 1-amino-3,3,5-trimethyl-5-amino-methylcyclohexane
  • IPDA 4,4-diaminodicyclohexylmethane
  • Preferably used are 1, 6-diaminohexane (HDA) and 1, 5-diaminopentane.
  • aromatic amines can be used for the process according to the invention, which can be converted into the gas phase without significant decomposition.
  • aromatic amines are toluenediamine (TDA), as 2,4- or 2,6-isomer or as a mixture thereof, for example as 80:20 to 65:35 (mol / mol) mixture, diaminobenzene, 2, 6-xylidine, naphthyldiamine (NDA) and 2,4'- or 4,4'-methylene (diphenyldiamine) (MDA) or isomeric mixtures thereof.
  • TDA toluenediamine
  • NDA naphthyldiamine
  • MDA 2,4'- or 4,4'-methylene
  • isomeric mixtures thereof Preferred among these are the diamines, more preferably 2,4- and / or 2,6-TDA or 2,4'- and / or 4,4'-MDA.
  • Aliphatic, cycloaliphatic or aromatic amines may also be used to prepare monoisocyanates.
  • Aniline is particularly preferred as the aromatic monoamine.
  • phosgene In order to avoid the formation of by-products, it is preferable to supply phosgene in excess. In order to supply only the portion of amines necessary for the reaction, it is possible to mix the amine with an inert gas. Due to the proportion of inert gas in the amine, the amount of amine fed can be adjusted for a given geometry of the feed openings for the amine and the phosgene. Inert media that can be added are those which are gaseous in the reaction space and do not react with the compounds occurring in the course of the reaction.
  • nitrogen, noble gases such as helium or argon, aromatics such as chlorobenzene, o-dichlorobenzene, trichlorobenzene, toluene, xylene, chloronaphthalene, decahydronaphthalene, carbon dioxide or carbon monoxide can be used as the inert medium.
  • aromatics such as chlorobenzene, o-dichlorobenzene, trichlorobenzene, toluene, xylene, chloronaphthalene, decahydronaphthalene, carbon dioxide or carbon monoxide
  • nitrogen and / or chlorobenzene as the inert medium.
  • the inert medium is added in an amount such that the ratio of the gas volumes of inert medium to amine or to phosgene is less than 0.0001 to 30, preferably less than 0.01 to 15 and particularly preferably less than 0.1 to 5.
  • the reaction gas is cooled in a quench immediately after the reaction.
  • a quench medium is added. By heating or evaporation of the quench medium, this heat absorbs and leads to a rapid cooling of the reaction gas.
  • the mixture of phosgene and amine is e.g. in a mixing nozzle, with the amine and
  • Phosgene are fed to the reactor.
  • a mixing nozzle is preferred.
  • various heat exchanger types such as micro or milli Vietnamese transformer, shell and tube heat exchangers, fluidized bed heat exchanger, microwave superheater or heat radiator can be used .
  • heat exchangers with a volume-specific evaporator surface of more than 750 l / m are preferred, since the residence time of the phosgene at high temperatures in such heat exchangers can be kept low.
  • the temperature difference between the transformer surface and the phosgene stream can be minimized.
  • micro heat exchangers since phosgene hardly forms deposits that can lead to blockages of the micro heat exchanger.
  • At least one tube bundle heat exchanger is preferably used for evaporation and overheating of the phosgene.
  • the tube bundle heat exchanger can be equipped with or without turbulence-generating inputs or attachments.
  • suitable installations are e.g. Swirl ducts, increased wall roughness, hiTRAN elements, wire networks, twisted tapes or other turbulence generators known to those skilled in the art.
  • turbulence-enhancing internals By using turbulence-enhancing internals, the necessary wall overheating and the required residence time for overheating the phosgene are reduced. In this way, the temperature load of the phosgene stream decreases.
  • a cross-flow heater is used to overheat the phosgene.
  • the pipes of the cross-flowed heating register can be carried out ribbed or pristine. It is also conceivable to carry out the overheating in several heating registers in stages. For flow equalization packings can be installed between the individual heating registers.
  • phosgene helical tubes are also suitable for evaporation and overheating of the phosgene helical tubes.
  • the secondary flows generated in helical tubes cause a high heat transfer coefficient and thus low wall temperatures and residence times.
  • additional internals to improve the heat transfer such as turbulence generators are used.
  • plate heat exchangers can also be used.
  • thermal plate heat exchangers are used.
  • thermal plate heat exchangers can be used to intensify the heat transfer and thus to reduce the wall temperatures and residence times internals.
  • Suitable heat exchangers are e.g. Fluidised bed heat exchanger, microwave superheater and radiant heater. These designs also allow for low wall overheating and short residence times of the phosgene and thus allow a reduction of the dissociation of the phosgene in chlorine and carbon monoxide.
  • a suitable apparatus for the preparation of isocyanates by reacting the corresponding amines with phosgene in the gas phase, optionally in the presence of an inert medium comprises a reactor, a device for mixing amine and phosgene, which opens into the reactor, and devices for evaporation and for overheating phosgene and amine.
  • the apparatus for the evaporation and / or overheating of the phosgene is a heat exchanger with a ratio of evaporator surface to the volume of more than 750 1 / m.
  • a residence time of the phosphorus can be achieved of less than 5 seconds at temperatures of more than 300 0 C by a heat exchanger having a ratio of evaporator surface area to volume of more than 750 1 / m gens. This can reduce the dissociation of the phosgene in carbon monoxide and chlorine and improve the product quality of the isocyanate to be produced, since the formation of by-products is reduced by reaction with chlorine.
  • Suitable heat exchangers having an evaporator surface to volume ratio greater than 750 l / m are known e.g. MiIIi or micro heat exchanger.
  • a tube bundle heat exchanger is used for the evaporation and / or overheating of the phosgene, which has a ratio of evaporator surface to VoIu- men of more than 750 1 / m.
  • the corresponding ratio may e.g. be achieved in the flow through the tubes of Rohrbündel Anlagenübertragers with the phosgene to be heated by the pipe diameter and possibly internals in the tubes.
  • turbulence generators are arranged in the tubes.
  • the evaporation and overheating of the phosgene be carried out in the same heat exchanger.
  • pipelines between individual evaporators can be saved and the paths are shortened. This simultaneously leads to a reduction of the residence time.
  • the heating coils can be operated with different heating media. For example, it is possible to vaporize the phosgene to use a heating coil, which is traversed by steam at a pressure of about 4 bar as the heating medium.
  • heating coil which is flowed through, for example, by steam at a pressure in the range of 16 to 40 bar.
  • the steam at a pressure in the range of 16 to 40 bar usually has a higher temperature than the water vapor of 4 bar, so that in this way further heating is achieved.
  • another heating coil which is flowed through by a heat transfer oil, for example.
  • the use of heat transfer oils usually allows higher temperatures than the use of steam. It is also possible, for example, to use an ionic liquid or a molten salt as the heating medium.
  • the advantage of using a heating medium is in particular that hotspots and thus local overheating, which can lead to rapid cleavage of the phosgene in chlorine and carbon monoxide, are avoided.
  • a further reduction of the residence time is also achieved if the apparatus for the mixture of phosgene and amine directly adjoins the apparatus for overheating of the phosgene. In this way, through-flow pipelines can be saved and thus the flow time and the residence time of the phosgene are reduced at the reaction temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, gegebenenfalls in Gegenwart eines Inertmediums, bei dem Phosgen und Amin zunächst verdampft und dann weiter auf Reaktionstemperatur überhitzt werden, das überhitzte Phosgen und Amin gemischt und einem Reaktor zugeführt werden, in dem das Phosgen und das Amin zum Isocyanat umgesetzt werden, wobei die Verweilzeit des Phosgens bei Temperaturen größer als 300°C maximal 5 s beträgt und/oder die Temperatur von mit Phosgen in Kontakt stehenden Wärmeübertragerflächen maximal 20 K oberhalb der einzustellenden Phosgentemperatur liegt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von lsocyanaten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lsocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, gegebenenfalls in Gegenwart eines Inertmediums, bei dem Phosgen und Amin zunächst verdampft, dann weiter auf Reaktionstemperatur überhitzt werden und das überhitzte Phosgen und Amin gemischt und einem Reaktor zugeführt werden, in dem das Phosgen und das Amin zum Isocyanat umgesetzt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von lsocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, ggf. in Gegenwart eines Inertmediums, umfassend einen Reaktor, in den eine Mischvorrichtung zur Mischung von Amin und Phosgen mündet, sowie Vorrichtungen zur Verdampfung und zur Überhitzung von Phosgen und Amin.
Die Herstellung von lsocyanaten durch Phosgenierung der korrespondierenden Amine kann prinzipiell durch eine Flüssigphasen- oder eine Gasphasenphosgenierung erfolgen. Die Gasphasenphosgenierung zeichnet sich dadurch aus, dass eine höhere Selektivität, ein geringerer Hold-up an toxischem Phosgen sowie ein verminderter Energiebedarf erforderlich sind.
Bei der Gasphasenphosgenierung werden ein aminhaltiger Eduktstrom und ein phosgen- haltiger Eduktstrom jeweils im gasförmigen Zustand vermischt. Das Amin und das Phosgen setzen sich unter Freisetzung von Chlorwasserstoff (HCl) zu den entsprechenden lsocyanaten um. Der aminhaltige Eduktstrom liegt im Allgemeinen in flüssiger Phase vor und muss vor der Vermischung mit dem phosgenhaltigen Strom verdampft und gegebenenfalls überhitzt werden.
Entsprechende Verfahren zur Herstellung von lsocyanaten in der Gasphase sind zum Beispiel in EP-A 1 319 655 oder EP-A 1 555 258 beschrieben.
Die Verdampfung und Überhitzung von Amin und Phosgen auf Reaktionstemperatur kann entweder durch Totalverdampfung des jeweiligen benötigten Eduktstroms oder aber durch Teilverdampfung eines Flüssigstroms mit Rückführung des verbliebenen kondensierten Anteils auf dem Verdampfereingang erfolgen.
Insbesondere bei der Überhitzung des Phosgens kann es jedoch gemäß des entsprechenden chemischen Gleichgewichts zur Rückspaltung des Carbaminsäurechlorids in Chlor und Kohlenmonoxid kommen. So liegen zum Beispiel nach Atkinson et al., J. Chem. Soc. Trans. 1 17, Vol. II, 1920, Seite 1410, bei 2100C und Normaldruck rund 0,2% des Phosgens dissoziiert vor. Bei 355°C liegen jedoch schon etwa 10% dissoziiert vor. Das im Phosgen- strom enthaltene Chlor hat jedoch den Nachteil, dass im Reaktor bei einer Reaktionstemperatur im Bereich von 360 bis 4500C das Isocyanat chloriert wird. Dies führt jedoch zu Qualitätsproblemen. So werden z.B. bei der Herstellung von Hexamethylendiisocyanat chlorierte Komponenten für Farbprobleme des Produkts verantwortlich gemacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Isocy- anaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen bereitzustellen, bei dem eine Rückspaltung des Carbaminsäurechlorids in Chlor und Kohlenmonoxid reduziert oder sogar verhindert wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, gegebenenfalls in Gegenwart eines Inertmediums, bei dem Phosgen und Amin zunächst verdampft und dann weiter auf Reaktionstemperatur erhitzt werden, das überhitzte Phosgen und Amin gemischt und einem Reaktor zugeführt werden, in dem das Phosgen und das Amin zum Isocyanat umgesetzt werden. Das Verfahren weist mindestens eines der folgenden Merkmale auf:
(a) die Verweilzeit des Phosgens bei Temperaturen größer als 3000C beträgt maximal 5 s,
(b) die Temperatur von mit Phosgen in Kontakt stehenden Wärmeübertragerflächen liegt maximal 20 K oberhalb der einzustellenden Phosgentemperatur.
Die Verweilzeit des Phosgens in Anlagenteilen mit hoher Temperatur, das heißt einer Temperatur von mehr als 3000C von weniger als 5 s, bevorzugt weniger als 2,5 s, hat den Vorteil, dass aufgrund der dadurch realisierten geringen Temperaturbelastung die Dissoziation des Phosgens in Chlor und Kohlenmonoxid reduziert werden kann.
Eine Verweilzeit des Phosgens von weniger als 5 s, bevorzugt von weniger als 2,5 s bei Temperaturen von mehr als 3000C wird zum Beispiel durch eine schnellere Überhitzung des Phosgens erzielt. Eine schnellere Überhitzung wird beispielsweise erzielt, wenn die Verdampfung und Überhitzung des Phosgens in einem gemeinsamen Wärmeübertrager mit einem Verhältnis von Verdampferoberfläche zu Volumen von mehr als 750 1/m durchgeführt werden. Durch das Verhältnis von Verdampferoberfläche zu Volumen von mehr als 750 1/m wird ein schneller Wärmeübergang und damit eine schnelle Erwärmung des Phosgens erreicht. Hierdurch kann ebenfalls die Verweilzeit reduziert werden und die Dissoziation von Phosgen in Kohlenmonoxid und Chlor reduziert werden, um so den Chlorgehalt im Eduktstrom zu minimieren. Da die Dissoziation des Phosgens in Chlor und Kohlenmonoxid mit steigender Temperatur zunimmt, ist es weiterhin bevorzugt, das Phosgen auf eine Temperatur von weniger als 500 0C, bevorzugt weniger als 450 0C und insbesondere weniger als 400 0C zu überhitzen. Durch diese Maßnahme lässt sich ebenfalls die Dissoziation des Phosgens in Chlor und Kohlenmonoxid reduzieren.
Die für die Reaktion von Phosgen und Amin zum Isocyanat notwendige Temperatur liegt im Allgemeinen im Bereich von 250 bis 5500C, insbesondere im Bereich von 300 bis 5000C. Der Druck, bei dem die Reaktion durchgeführt wird, liegt vorzugsweise im Bereich zwi- sehen 0,3 bis 3 bar absolut. Besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 3,0 bar absolut.
Die Erwärmung auf die erforderliche Reaktionstemperatur erfolgt vorzugsweise vor der Vermischung von Phosgen und Amin, da zur Vermeidung von Reaktionsnebenprodukten eine kurze Verweilzeit des Reaktionsgemisches bei Reaktionstemperatur gewünscht ist, um eine Zersetzung oder weitere Reaktion des Isocyanats zu vermeiden.
Die Erwärmung des Phosgens und des Amins vor deren Vermischung kann z.B. durch eine elektrische Beheizung oder eine direkte oder indirekte Aufheizung durch Verbrennung eines Brennstoffs oder auch durch Wärmetausch mit einem Heizmedium erfolgen. Wenn die Aufheizung durch Verbrennung eines Brennstoffs erfolgt, so werden üblicherweise Brenngase, beispielsweise Erdgas, eingesetzt. Für die Erwärmung mit einem Heizmedium eignen sich z.B. Wärmeträgeröle oder auch Heizdampf. Bei der Verwendung von Heizdampf erfolgt üblicherweise eine mehrstufige Erwärmung, wobei Heizdampf mit unterschiedlichem Druck und unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt werden kann. Die Überhitzung des Phosgens und des Amins erfolgt dann jedoch üblicherweise mit einem Wärmeträger Öl oder beispielsweise durch elektrische Beheizung oder direkte oder indirekte Aufheizung durch Verbrennung eines Brennstoff. Wenn zur Verdampfung des Phosgens und Erwärmung des Amins Wasserdampf eingesetzt wird, so liegt der Dampfdruck des Wasserdampfs z.B. im Bereich von 40 bis 100 bar. Daraus ergibt sich eine Temperatur des Was- serdampfs im Bereich von 250 bis 3110C, sofern kein überhitzter Wasserdampf eingesetzt wird.
Bei der Verdampfung und Überhitzung des Phosgens und des Amins sind Hotspots zu vermeiden. Besonders bevorzugt ist daher die Verdampfung und Überhitzung durch Ver- wendung eines Heizmediums.
Der Reaktor, der zur Phosgenierung des Amins zur Herstellung von Isocyanaten eingesetzt wird, ist dem Fachmann bekannt. Im Allgemeinen werden als Reaktoren Rohrreaktoren eingesetzt. Im Reaktor wird das Amin mit dem Phosgen zum korrespondierenden Isocya- nat und Chlorwasserstoff umgesetzt. Üblicherweise wird das Phosgen im Überschuss zu- - A -
gegeben, so dass das im Reaktor entstehende Reaktionsgas neben dem gebildeten Isocy- anat und dem Chlorwasserstoff auch Phosgen enthält.
Amine, die zur Herstellung von Isocyanaten eingesetzt werden können, sind Monoamine, Diamine, Triamine oder höherwertige Amine. Bevorzugt werden Monoamine oder Diamine eingesetzt. Entsprechend des eingesetzten Amins ergeben sich die korrespondierenden Monoisocyanate, Diisocyanate, Triisocyanate oder höherwertigen Isocyanate. Bevorzugt werden Monoisocyanate oder Diisocyanate mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
Diamine und Diisocyanate können aliphatisch, cycloaliphatisch oder aromatisch sein.
Cycloaliphatische Isocyanate sind solche, die mindestens ein cycloaliphatisches Ringsystem enthalten.
Aliphatische Isocyanate sind solche, die ausschließlich Isocyanatgruppen aufweisen, die an gerade oder verzweigte Ketten gebunden sind.
Aromatische Isocyanate sind solche, die mindestens eine an mindestens ein aromatisches Ringsystem gebundene Isocyanatgruppe aufweisen.
Im Folgenden wird die Bezeichnung (cyclo)aliphatische Isocyanate für cycloaliphatische und/oder aliphatische Isocyanate verwendet.
Beispiele für aromatische Mono- und Diisocyanate sind bevorzugt solche mit 6 bis 20 C- Atomen, beispielsweise Phenylisocyanat, monomeres 2,4'- und/oder 4,4'-Methylen- di(phenylisocyanat) (MDI), 2,4- und/oder 2,6-Toluylendiisocyanat (TDI) und 1 ,5- oder 1 ,8- Naphthyldiisocyanat (NDI).
Beispiele für (cyclo)aliphatische Diisocyanate sind aliphatische Diisocyanate wie 1 ,4- Tetramethylendiisocyanat, 1 ,6-Hexamethylendiisocyanat (1 ,6-Diisocyanatohexan), 1 ,8- Octamethylendiisocyanat, 1 ,10-Decamethylendiisocyanat, 1 ,12-Dodecamethylendiiso- cyanat, 1 ,14-Tetradecamethylendiisocyanat, 1 ,5-Diisocyanatopentan, Neopentandiisocya- nat, Derivate des Lysindiisocyanats, Tetramethylxylylendiisocyanat (TMXDI), Trimethylhe- xandiisocyanat oder Tetramethylhexandiisocyanat, sowie 3(beziehungsweise 4)- 8(beziehungsweise 9)-Bis(isocyanatomethyl)-tricyclo-[5.2.1.026]-decan-lsomerenge- mische, sowie cycloaliphatische Diisocyanate wi e 1 ,4-, 1 ,3- oder 1 ,2-Diisocyanato- cyclohexan, 4,4'- oder 2,4'-Di(isocyanatocyclohexyl)methan, 1-lsocyanato-3,3,5-tri-methyl- 5-(isocyanatomethyl)cyclohexan (Isoforondiisocyanat), 1 ,3- oder 1 ,4-Bis(iso- cyanatomethyl)cyclohexan, 2,4- oder 2,6-Diisocyanato-1-methylcyclohexan. Bevorzugte (cyclo)aliphatische Diisocyanate sind 1 ,6-Diisocyanatohexan, 1-lsocyanato- 3,3,5-trimethyl-5-(isocyanatomethyl)cyclohexan und 4,4'-Di(isocyanato-cyclohexyl)methan. Besonders bevorzugt sind 1 ,6-Diisocyanatohexan, 1-lsocyanato-3,3,5-trimethyl-5- (isocyanatomethyl)cyclohexan, 1 ,5-Diisocyanatopentan und 4,4'- Di(isocyanatocyclohexyl)methan.
Beispiele für aromatische Diisocyanate sind 2,4-, 2,6-Toluylendiisocyanat, Methylendiphe- nylisocyanat oder Isomerengemische davon.
Amine, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reaktion zu den korrespondierenden Isocyanaten eingesetzt werden, sind solche, bei denen das Amin, die korrespondierenden Zwischenprodukte und die korrespondierenden Isocyanate bei den gewählten Reaktionsbedingungen gasförmig vorliegen. Bevorzugt sind Amine, die sich während der Dauer der Reaktion unter den Reaktionsbedingungen zu höchstens 2 Mol-%, besonders bevorzugt zu höchstens 1 Mol-% und ganz besonders bevorzugt zu höchstens 0,5 Mol-% zersetzen. Besonders geeignet sind hier Amine, insbesondere Diamine, auf Basis von a- liphatischen oder cycloaliphatischen Kohlenwasserstoffen mit 2 bis 18 Kohlenstoffatomen. Beispiele hierfür sind 1 ,6-Diaminohexan, 1 ,5-Diaminopentan, 1 ,3-
Bis(aminomethyl)cyclohexan, 1-Amino-3,3,5-trimethyl-5-amino-methylcyclohexan (IPDA) und 4,4-Diaminodicyclohexylmethan. Bevorzugt verwendet werden 1 ,6-Diaminohexan (HDA) und 1 ,5-Diaminopentan.
Ebenfalls können für das erfindungsgemäße Verfahren aromatische Amine verwendet werden, die ohne signifikante Zersetzung in die Gasphase überführt werden können. Bei- spiele für bevorzugte aromatische Amine sind Toluylendiamin (TDA), als 2,4- oder 2,6- Isomer oder als Gemisch davon, beispielsweise als 80:20 bis 65:35 (Mol/Mol)-Gemisch, Diaminobenzol, 2,6-Xylidin, Naphthyldiamin (NDA) und 2,4'- oder 4,4'- Methylen(diphenyldiamin) (MDA) oder Isomerengemische davon. Bevorzugt sind unter diesen die Diamine, besonders bevorzugt sind 2,4- und/oder 2,6-TDA oder 2,4'- und/oder 4,4'-MDA.
Zur Herstellung von Monoisocyanaten können ebenfalls aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Amine, üblicherweise Monoamine, eingesetzt werden. Als aromatisches Monoamin ist insbesondere Anilin bevorzugt.
Bei der Gasphasenphosgenierung ist es anzustreben, dass die im Reaktionsverlauf auftretenden Verbindungen, also Edukte (Amin und Phosgen), Zwischenprodukte (insbesondere die intermediär entstehenden Mono- und Dicarbamoylchloride), Endprodukte (Isocyanat), sowie gegebenenfalls zudosierte inerte Verbindungen, unter den Reaktionsbedingungen in der Gasphase verbleiben. Sollten diese oder andere Komponenten sich aus der Gasphase zum Beispiel an der Reaktorwand oder anderen Apparatebauteilen abscheiden, so kann durch diese Abscheidungen der Wärmeübergang oder die Durchströmung der betroffenen Bauteile unerwünscht verändert werden. Dies gilt insbesondere für Auftreten der Aminhyd- rochloride, die sich aus freien Aminogruppen und Chlorwasserstoff bilden, da die resultie- renden Aminhydrochloride leicht ausfallen und nur schwer wieder verdampfbar sind.
Neben dem Einsatz eines Rohrreaktors ist es auch möglich, im Wesentlichen quaderförmige Reaktionsräume, beispielsweise Plattenreaktoren zu verwenden. Auch jeder beliebige andere Querschnitt des Reaktors ist möglich.
Um die Bildung von Nebenprodukten zu vermeiden, ist es bevorzugt, Phosgen im Über- schuss zuzuführen. Um nur den für die Reaktion notwendigen Anteil an Aminen zuzuführen, ist es möglich, das Amin mit einem Inertgas zu mischen. Durch den Anteil an Inertgas im Amin lässt sich die Menge des zugeführten Amins bei vorgegebener Geometrie der Zu- fuhröffnungen für das Amin und das Phosgen einstellen. Inertmedien, die zugegeben werden können, sind solche, die im Reaktionsraum gasförmig vorliegen und nicht mit den im Reaktionsverlauf auftretenden Verbindungen reagieren. Als Inertmedium können zum Beispiel Stickstoff, Edelgase wie Helium oder Argon, Aromaten wie Chlorbenzol, o- Dichlorbenzol, Trichlorbenzol, Toluol, XyIoI, Chlornaphthalin, Decahydronaphthalin, Koh- lenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid eingesetzt werden. Bevorzugt werden jedoch Stickstoff und/oder Chlorbenzol als Inertmedium verwendet.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, zum Beispiel um einen zu großen Überschuss an Phosgen zu vermeiden, das Inertmedium dem Phosgen zuzumischen.
Im Allgemeinen wird das Inertmedium in einer Menge zugesetzt, dass das Verhältnis der Gasvolumina von Inertmedium zu Amin beziehungsweise zu Phosgen weniger als 0,0001 bis 30, bevorzugt weniger als 0,01 bis 15 und besonders bevorzugt weniger als 0,1 bis 5 beträgt.
Um die Bildung unerwünschter Nebenprodukte zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden und weiterhin auch eine Zersetzung des gebildeten Isocyanats zu unterbinden, wird das Reaktionsgas unmittelbar nach der Reaktion in einem Quench abgekühlt. Hierzu wird ein vorzugsweise flüssiges Quenchmedium zugegeben. Durch Erwärmung oder Verdamp- fung des Quenchmediums nimmt dieses Wärme auf und führt zu einer schnellen Abkühlung des Reaktionsgases.
Die Mischung von Phosgen und Amin erfolgt z.B. in einer Mischdüse, mit der Amin und
Phosgen dem Reaktor zugeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, Amin und Phos- gen über geeignete Düsen einer Mischkammer zuzuführen, in der diese gemischt werden und dann in den Reaktor weiter strömen. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung einer Mischdüse.
Um die gewünschte geringe Verweilzeit des Phosgens bei hohen Temperaturen, das heißt bei Temperaturen von mehr als 3000C von weniger als 5 Sekunden zu erzielen, können verschiedene Wärmeübertragertypen, beispielsweise Mikro- oder Milliwärme-übertrager, Rohrbündelwärmeübertrager, Wirbelschichtwärmeübertrager, Mikrowellenüberhitzer oder Wärmestrahler eingesetzt werden. Insbesondere sind Wärmeübertrager mit einer volumenspezifischen Verdampferoberfläche von mehr als 750 1/m bevorzugt, da die Verweil- zeit des Phosgens bei hohen Temperaturen in derartigen Wärmeübertragern gering gehalten werden kann. Des Weiteren kann die Temperaturdifferenz zwischen Übertrageroberfläche und dem Phosgenstrom minimiert werden. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von Mikrowärmeübertragern, da Phosgen kaum Ablagerungen bildet, die zu Verstopfungen des Mikrowärmeübertragers führen können.
Bevorzugt zur Verdampfung und Überhitzung des Phosgens wird jedoch mindestens ein Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt. Der Rohrbündelwärmeübertrager kann mit oder ohne turbulenzerzeugende Ein- oder Anbauten ausgerüstet sein. Wenn das Phosgen in den Rohren des Rohrbündelwärmeübertragers geführt wird, eignen sich als Einbauten z.B. Drallgänge, erhöhte Wandrauhigkeiten, hiTRAN-Elemente, Drahtnetzwerke, Twisted Tapes oder andere, dem Fachmann bekannte Turbulenzerzeuger. Sollte das Phosgen die Rohre umströmen, können z.B. Fins oder Rippen eingesetzt werden. Durch die Verwendung turbulenzerhöhender Einbauten werden die notwendige Wandüberhitzung und die erforderliche Verweilzeit zur Überhitzung des Phosgens herabgesetzt. Auf diese Weise sinkt die Temperaturbelastung des Phosgenstroms.
In einer Ausführungsform wird ein quer angeströmtes Heizregister zur Überhitzung des Phosgens eingesetzt. Die Rohre des quer angeströmten Heizregisters können berippt oder unberippt ausgeführt werden. Auch ist es denkbar, die Überhitzung in mehreren Heizregis- tern in Stufen durchzuführen. Zur Strömungsvergleichmäßigung können zwischen den einzelnen Heizregistern Packungen installiert werden.
Ebenfalls zur Verdampfung und Überhitzung des Phosgens eignen sich Wendelrohre. Die in Wendelrohren erzeugten Sekundärströmungen bewirken einen hohen Wärmeüber- gangskoeffizienten und damit geringe Wandtemperaturen und Verweilzeiten. Auch können in einem Wendelrohr zusätzliche Einbauten zur Verbesserung des Wärmeübergangs, beispielsweise Turbulenzerzeuger, eingesetzt werden.
Neben Rohrbündelwärmeübertragern lassen sich auch Plattenwärmeübertrager einsetzen. In diesem Fall werden insbesondere Thermoplattenwärmeübertrager verwendet. Auch bei Einsatz von Thermoplattenwärmeübertragern können zur Intensivierung des Wärmeübergangs und damit zur Reduzierung der Wandtemperaturen und der Verweilzeiten Einbauten verwendet werden.
Weitere geeignete Wärmeübertrager sind z.B. Wirbelschichtwärmeübertrager, Mikrowellenüberhitzer und Wärmestrahler. Auch diese Bauformen erlauben jeweils geringe Wandüberhitzungen und kurze Verweilzeiten des Phosgens und ermöglichen so eine Reduzierung der Dissoziation des Phosgens in Chlor und Kohlenmonoxid.
Eine zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, ggf. in Gegenwart eines Inertmediums, geeignete Vorrichtung, umfasst einen Reaktor, eine Vorrichtung zur Mischung von Amin und Phosgen, die in den Reaktor mündet, sowie Vorrichtungen zur Verdampfung und zur Überhitzung von Phosgen und Amin. Die Vorrichtung zur Verdampfung und/oder Überhitzung des Phosgens ist dabei ein Wärmeübertrager mit einem Verhältnis von Verdampferoberfläche zum Volumen von mehr als 750 1/m.
Wie zuvor bereits beschrieben, kann durch einen Wärmeübertrager mit einem Verhältnis von Verdampferoberfläche zu Volumen von mehr als 750 1/m eine Verweilzeit des Phos- gens von weniger als 5 Sekunden bei Temperaturen von mehr als 3000C erzielt werden. Hierdurch lässt sich die Dissoziation des Phosgens in Kohlenmonoxid und Chlor reduzieren und die Produktqualität des herzustellenden Isocyanats verbessern, da die Bildung von Nebenprodukten durch Reaktion mit Chlor reduziert wird.
Geeignete Wärmeübertrager, die ein Verhältnis von Verdampferoberfläche zu Volumen von mehr als 750 1/m aufweisen, sind z.B. MiIIi- oder Mikrowärmeübertrager.
Bevorzugt wird zur Verdampfung und/oder Überhitzung des Phosgens jedoch ein Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt, der ein Verhältnis von Verdampferoberfläche zu VoIu- men von mehr als 750 1/m aufweist. Das entsprechende Verhältnis kann z.B. bei Durchströmung der Rohre des Rohrbündelwärmeübertragers mit dem zu erhitzenden Phosgen durch den Rohrdurchmesser und gegebenenfalls Einbauten in den Rohren erzielt werden. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist es, wie vorstehend bereits beschrieben, bevorzugt, wenn in den Rohren Turbulenzerzeuger angeordnet sind.
Um die Verweilzeit des Phosgens bei hohen Temperaturen zu reduzieren, ist es bevorzugt, wenn die Verdampfung und Überhitzung des Phosgens im gleichen Wärmeübertrager durchgeführt wird. Hierdurch können Rohrleitungen zwischen einzelnen Verdampfern eingespart werden und die Wege verkürzt werden. Dies führt gleichzeitig zu einer Verringe- rung der Verweilzeit. Zur schonenden Verdampfung und Überhitzung des Phosgens ist es bevorzugt, wenn der Wärmeübertrager mehrere Heizregister aufweist, in denen das Phosgen stufenweise verdampft und überhitzt wird. Die Heizregister können mit unterschiedlichen Heizmedien betrieben werden. So ist es z.B. zur Verdampfung des Phosgens möglich, ein Heizregister einzusetzen, das von Wasserdampf mit einem Druck von ca. 4 bar als Heizmedium durchströmt wird. An dieses kann sich ein weiteres Heizregister anschließen, das z.B. von Wasserdampf mit einem Druck im Bereich von 16 bis 40 bar durchströmt wird. Der Wasserdampf mit einem Druck im Bereich von 16 bis 40 bar, weist üblicherweise eine höhere Temperatur auf als der Wasserdampf von 4 bar, so dass hierdurch eine weitere Erwärmung erreicht wird. Daran kann sich ein weiteres Heizregister anschließen, das z.B. von einem Wärmeträgeröl durchströmt wird. Der Einsatz von Wärmeträgerölen erlaubt üblicherweise höhere Temperaturen als der Einsatz von Dampf. Auch ist es möglich, z.B. eine ionische Flüssigkeit oder eine Salzschmelze als Heizmedium zu verwenden. Vorteil des Einsatzes eines Heizmediums ist insbesondere, dass Hotspots und damit lokale Überhitzungen, die zu einer schnellen Spaltung des Phosgens in Chlor und Kohlenmonoxid führen können, vermieden werden.
Eine weitere Reduktion der Verweilzeit wird auch dadurch erzielt, wenn sich die Vorrichtung zur Mischung von Phosgen und Amin direkt an die Vorrichtung zur Überhitzung des Phosgens anschließt. Auf diese Weise können ebenfalls durchströmte Rohrleitungen ein- gespart werden und damit die Strömungszeit und die Verweilzeit des Phosgens bei Reaktionstemperatur verringert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, gegebenenfalls in Gegenwart eines Inertmediums, bei dem Phosgen und Amin zunächst verdampft und dann weiter auf
Reaktionstemperatur überhitzt werden, das überhitzte Phosgen und Amin gemischt und einem Reaktor zugeführt werden, in dem das Phosgen und das Amin zum Isocyanat umgesetzt werden, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale:
(a) die Verweilzeit des Phosgens bei Temperaturen größer als 3000C beträgt maximal 5 s,
(b) die Temperatur von mit Phosgen in Kontakt stehenden Wärmeübertragerflächen liegt maximal 20 K oberhalb der einzustellenden Phosgentemperatur.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung und/oder die Überhitzung des Phosgens in einem Mikro- oder Milliwärmeübertrager, einem Rohrbündelwärmeübertrager, einem Wirbelschichtwärmeübertrager, einem Mikrowellenüberhitzer oder einem Wärmestrahler erfolgen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung und/oder die Überhitzung des Phosgens in dem gleichen Apparat durchgeführt werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung und die Überhitzung des Phosgens in mehreren Stufen erfolgen.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Phosgen dem Reaktor im Überschuss zugegeben wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Reaktor zugegebene Amin mit einem Inertgas gemischt ist.
7. Vorrichtung zur Herstellung von Isocyanaten durch Umsetzung der korrespondierenden Amine mit Phosgen in der Gasphase, gegebenenfalls in Gegenwart eines Inertmedi- ums, umfassend einen Reaktor, in den eine Vorrichtung zur Mischung von Amin und
Phosgen mündet, sowie Vorrichtungen zur Verdampfung und zur Überhitzung von Phosgen und Amin, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung des Phosgens ein Wärmeübertrager mit einem Verhältnis von Verdampferoberfläche zu Volumen von mehr als 750 1/m ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung des Phosgens ein MiIIi- oder Mikrowärmeü- bertrager, ein Wirbelschichtwärmeübertrager, ein Mikrowellenüberhitzer oder ein Wärmestrahler ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Verdampfung und/oder zur Überhitzung des Phosgens ein Rohrbündelwärmeübertrager ist.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Phosgen in den Rohren des Rohrbündelwärmeübertragers strömt und in den Rohren Turbulenzerzeuger angeordnet sind.
1 1. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdampfung und die Überhitzung des Phosgens der gleiche Wärmeübertrager eingesetzt wird.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager mehrere Heizregister aufweist, in denen das Phosgen stufenweise verdampft und ü- berhitzt wird.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorrichtung zur Mischung von Phosgen und Amin direkt an die Vorrichtung zur Ü- berhitzung des Phosgens anschließt.
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